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JPS6331730B2 - - Google Patents
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JPS6331730B2 - - Google Patents

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JPS6331730B2
JPS6331730B2 JP53099187A JP9918778A JPS6331730B2 JP S6331730 B2 JPS6331730 B2 JP S6331730B2 JP 53099187 A JP53099187 A JP 53099187A JP 9918778 A JP9918778 A JP 9918778A JP S6331730 B2 JPS6331730 B2 JP S6331730B2
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light
sample
optical
filament
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は概括的にはサンプルの光学的性質を分
光学的に測定および分析する機器の分野に関す
る。この種の機器は、現在、サンプルの成分を比
色分析および定量分析するために工業上および農
業上の用途に用いられている。さらにこの種の機
器は診断の目的でサンプルがスペクトル分析され
る医療分野への応用も発展しつつある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates generally to the field of instruments for spectroscopically measuring and analyzing optical properties of samples. Instruments of this type are currently used in industrial and agricultural applications for colorimetric and quantitative analysis of the components of samples. Furthermore, this type of equipment is also developing applications in the medical field, where samples are spectrally analyzed for diagnostic purposes.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

現在使用されている農業的な応用の例は、穀粒
又は大豆中の油、蛋白質、水分の含量を正確に定
める機器である。蛋白質測定用のキエルダール法
のような従来からの分析実験技術は、極めて正確
であるが、専門技術をもつ化学者のサービスが必
要である。しかもその結果は即座にまたは迅速に
は役立たない。農産物のバイヤーは購入する各種
の農産物の湿分、蛋白質、油の百分率を正確で迅
速に決定することについて益々関心を示してい
る。例えば小麦の輸出市場では保証された蛋白質
含有量に基づく販売が広く導入されている。この
競争的な圧力によつて田舎の穀物倉庫から輸出終
着駅までの商品取扱者の、穀粒及び他の農産物を
蛋白質の百分率で、可能であれば油脂及び水分の
百分率で迅速正確に区分することへの要求が益々
増大している。農産物の非破壊試験の分野で最近
の科学的発見を組合せ且つ改良した万能で然も低
廉で、進歩した装置の需要が非常に増えて来てい
る。商品取扱者にできるだけ有用であるために
は、この種の機器はオペレータの熟練を高度に要
求するものであつてはならないし、測定結果に対
し科学に基づいた特殊な知識を要するものであつ
てはならない。
An example of an agricultural application currently in use is equipment that accurately determines the oil, protein, and moisture content in grain or soybeans. Traditional analytical laboratory techniques such as the Kjeldahl method for protein determination are highly accurate, but require the services of a skilled chemist. Moreover, the results are not immediately or quickly useful. Buyers of agricultural products are increasingly interested in accurately and quickly determining the moisture, protein, and oil percentages of the various types of agricultural products they purchase. For example, sales based on guaranteed protein content are widely introduced in wheat export markets. This competitive pressure allows commodity handlers from rural granaries to export terminals to quickly and accurately sort grain and other agricultural products by percentage of protein and, if possible, percentage of fat and moisture. The demand for this is increasing. There has been a significant increase in demand for versatile, yet inexpensive, advanced equipment that combines recent scientific discoveries and improvements in the field of non-destructive testing of agricultural products. In order to be as useful as possible to product handlers, this type of equipment should not require a high degree of skill on the part of the operator, and should not require specialized scientifically based knowledge of the measurement results. Must not be.

最近の発達によつて商品取扱者の上記の要求の
あるものを充足しうる機器が提供されている。米
国特許第3861788号(本出願の出願人に譲渡され
ている)にDonald R.Websterによつて開示され
た光学分析器は、各種の波長でサンプルの反射光
学濃度を比較して有機物質中の各種の成分の百分
率を計る自動試験機を提供している。この装置は
回転可能なパドルホイール(外車)の形で接合さ
れた、スペクトル帯域幅の狭い複数の光学フイル
ターを具え、各フイルターは試料とスペクトル幅
が広い光源間の入射光路を別々に掃引できるよう
に位置している。フイルターホイールが回るに従
つて、各フイルターを透過した光のスペクトル帯
は光路に対するフイルターの角度が変化すると共
に漸進的にシフトする。フイルターホイールの形
状は、各フイルターの端から不透明な翼が延びて
いて試料への光の通路を周期的に遮断する。試料
からの反射光の強さを検出するために複数の光検
出器が置かれている。之等の光検出器の出力は、
フイルターホイールの回転に対し所定の時刻にサ
ンプルされて一定の波長において反射された光強
度を示す値を与える。電子回路が、このデータを
用いて試料サンプルの水分、蛋白質、油の含有量
に相当する三つの光学濃度差を計算する。この光
学濃度差の値は自動的に三つの一次方程式に代入
され、この方程式が解かれて試料の油、水分、蛋
白質含量の三つのパーセンテージを示す表示が得
られる。新規な試料が試験に供される毎に、該米
国特許第3861788号に記載されている機器は、標
準のサンプル、望ましくはテフロン(商標名)に
よつて自動的に較正される。光検出器の出力は、
その光検出器が照射されているときの出力から光
が遮断されている期間の電流レベルを差引く動作
をする特殊回路で増幅される。
Recent developments have provided equipment that can meet some of the above requirements of product handlers. The optical analyzer disclosed by Donald R. Webster in U.S. Pat. We provide automatic testing machines that measure the percentages of various ingredients. The device consists of multiple narrow spectral bandwidth optical filters joined in the form of a rotatable paddle wheel, each filter capable of independently sweeping the incident optical path between the sample and the wide spectral width light source. It is located in As the filter wheel rotates, the spectral bands of light transmitted through each filter shift progressively as the angle of the filter relative to the optical path changes. The shape of the filter wheel has opaque wings extending from the end of each filter to periodically block the passage of light to the sample. Multiple photodetectors are placed to detect the intensity of reflected light from the sample. The output of such a photodetector is
Sampled at predetermined times relative to the rotation of the filter wheel, it provides a value indicative of the intensity of reflected light at a constant wavelength. Electronic circuitry uses this data to calculate three optical density differences corresponding to the water, protein, and oil content of the sample sample. This optical density difference value is automatically substituted into three linear equations, which are solved to provide an indication of the three percentages of oil, water, and protein content of the sample. Each time a new sample is subjected to testing, the instrument described in US Pat. No. 3,861,788 is automatically calibrated with a standard sample, preferably Teflon. The output of the photodetector is
It is amplified by a special circuit that operates by subtracting the current level during periods when the light is cut off from the output when the photodetector is illuminated.

関連した、しかしそれ以前の機器は米国特許第
3765755号に「光学的内部特性分析器」の名称で
Eugene R GanssleおよびDonald R.Webster
によつて開示され、これも本出願の出願人に譲渡
されている。それにおいては、試料サンプルは複
数の狭いスペクトル帯域の干渉フイルターを持つ
連続的に回転している円盤で順次にフイルターさ
れた光で照射される。試料を通過した、又は試料
で反射された光を受けるように置かれた数個の光
検出器の合成出力は、対数増幅器を通つた後に選
択的にサンプリングされ、2つのとびとびの波長
における読みが得られ、次にその読みは差動増幅
器で比較されて所望の測定量を得る。米国特許第
3765775号に記載した光学系は意図された目的に
対しては満足のものであるが、種々の波長におけ
る測定の機能は円盤がもつているフイルターの数
に当然、制限される。従つて二つの近接したフイ
ルターの波長の中間の波長で読取ることは出来な
い。この制限は、上記米国特許第3861788号のフ
イルターホイールの構造で幾分緩和される。
A related but earlier device was published in U.S. Patent No.
No. 3765755 under the name "Optical internal property analyzer"
Eugene R. Ganssle and Donald R. Webster
and is also assigned to the assignee of the present application. In it, a specimen sample is illuminated with light sequentially filtered by a continuously rotating disk with multiple narrow spectral band interference filters. The combined output of several photodetectors placed to receive the light passed through or reflected by the sample is selectively sampled after passing through a logarithmic amplifier to obtain readings at two discrete wavelengths. are obtained, and the readings are then compared with a differential amplifier to obtain the desired measured quantity. US Patent No.
Although the optical system described in No. 3,765,775 is satisfactory for its intended purpose, its ability to measure at various wavelengths is naturally limited by the number of filters the disk has. Therefore, it is not possible to read at a wavelength intermediate between the wavelengths of two adjacent filters. This limitation is alleviated somewhat with the filter wheel construction of the '788 patent.

例えば肉の油脂含量を決定する他の近頃の先行
の光学的技術は米国政府所有の米国特許第
3877818号にGeorge F.ButtonおよびKarl H.
Norrisによつて開示されている。この技術はメ
リーランド州グリーンベルトの米国農務省農業研
究所で開発されたもので、肉のサンプルが白熱電
源からの赤外線に曝される。赤外線は肉サンプル
を通過して又は肉サンプルから反射されて、傾斜
鏡(光学系の光軸に対して傾斜した鏡)に到り、
該傾斜鏡によつて肉中を透過した光又は肉から反
射された光は入射角を変化させながら平面の干渉
フイルターを通過させる。傾斜鏡を振動(往復運
動)させてフイルターの入射角を変えると、それ
に対応して赤外領域の狭いスペクトル帯域で、フ
イルターを通過する放射線の波長が変化する。光
検出器はフイルターを通過した光を受けて電気信
号を発し、この信号はサンプルの油脂量を読出す
ように処理される。
Other recent prior optical techniques for determining the fat and oil content of meat, for example, include U.S. government-owned U.S. Pat.
No. 3877818 by George F. Button and Karl H.
Disclosed by Norris. The technique, developed at the USDA Agricultural Research Institute in Greenbelt, Maryland, exposes a meat sample to infrared light from an incandescent power source. The infrared rays pass through or are reflected from the meat sample and reach a tilted mirror (a mirror tilted with respect to the optical axis of the optical system);
The light transmitted through the meat by the inclined mirror or the light reflected from the meat is passed through a flat interference filter while changing the angle of incidence. When the tilting mirror is vibrated (reciprocated) to change the angle of incidence on the filter, the wavelength of the radiation passing through the filter changes correspondingly in a narrow spectral band in the infrared region. A photodetector receives the filtered light and generates an electrical signal, which is processed to read out the amount of fat in the sample.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

これら、および他の従来技術の光学的分析器
は、分光分析のために用いられる特殊の光学的エ
レメントおよび光学系によつてその測定値の精度
が制限される。種々の農産物は非常に正確な含有
量の分析を必要とするため、成分含有量を更に精
密に測定するために更に高い性能を有する光学機
器の需要が増大している。
These and other prior art optical analyzers are limited in the accuracy of their measurements by the specialized optical elements and systems used for spectroscopic analysis. Since various agricultural products require highly accurate content analysis, there is an increasing demand for optical instruments with higher performance to more precisely measure ingredient content.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明の機器は比色定量および成分分析用の両
方に用いられるよう設計されていて、高速度計測
においてより高い精度を達成し、従来技術の高速
計測系を用いた場合よりも更に暗いサンプルの分
析をすることができる新規の光学系を備えること
によつて上記従来技術の光学分析器を改良したも
のである。本発明の機器では、高速度で振動する
凹面ホログラフイツク回折格子を用いて、該格子
によつて波長を変化させて生ずる単色光の高速掃
査が行われる。凹面回折格子では格子の線はホロ
グラムの技法で作られる。凹面ホログラフイツク
格子は市場で入手でき、米国ニユージヤシー州、
メツチエンのJ.―Y回折格子会社で市販されて得
られる。凹面格子を用いることは平面状格子を用
いるより好ましい。その理由は平面格子において
は三個以上の光学素子が必要とされるのに対し、
凹面格子においては単一の光学素子を使用すれば
よい場合があるからである。その結果校正段階で
のアライメントが単純化され精密な機構をもつ光
学台の費用が低減する。凹面ホログラフイツク格
子を用いると、例えば或る場合F/1よりも低い
F数で光学系の設計が可能である。高性能の平面
格子系は通常F/4及びそれ以上に限定される。
低い光学的F数によつて多量の光エネルギーが光
学系を通過することができ、それによつて本発明
は従来の光学分析器で可能であつたよりもさらに
暗いサンプルの分析をすることができる。更に、
ホログラフイツク格子はゴーストがなく溝付格子
に比して迷光のレベルが低い。本発明の光学系で
用いるホログラフイツク格子の他の利点は、高い
エネルギーの光束が維持されている間に極めて高
い格子密度によつて高い分解能を得ることができ
ることである。ホログラフイツク格子の他の利点
は非点収差に対しては補正されており、球面収差
とコマ収差も少なくなつていることである。
The instrument of the invention is designed to be used for both colorimetric and compositional analysis, achieving higher precision in high-speed measurements and detecting darker samples than with prior art high-speed measurement systems. The optical analyzer of the prior art described above is improved by providing a new optical system capable of performing analysis. The instrument of the present invention uses a concave holographic grating that vibrates at high speed to rapidly scan the monochromatic light produced by the grating at varying wavelengths. In concave gratings, the lines of the grating are created using holographic techniques. Concave holographic gratings are available on the market, New Jersey, USA,
It is commercially available from J.-Y Diffraction Grating Company of Methuen. Using a concave grating is preferable to using a planar grating. The reason is that three or more optical elements are required in a plane grating, whereas
This is because, in some cases, it is sufficient to use a single optical element in a concave grating. As a result, alignment at the calibration stage is simplified and the cost of an optical bench with a precise mechanism is reduced. Using concave holographic gratings, it is possible to design optical systems with f-numbers lower than F/1 in some cases, for example. High performance planar grid systems are usually limited to F/4 and above.
The low optical F-number allows a large amount of light energy to pass through the optical system, thereby allowing the present invention to analyze darker samples than is possible with conventional optical analyzers. Furthermore,
Holographic gratings are ghost-free and have lower levels of stray light than grooved gratings. Another advantage of the holographic grating used in the optical system of the present invention is that the extremely high grating density allows for high resolution while maintaining a high energy flux. Another advantage of holographic gratings is that they are corrected for astigmatism and have reduced spherical and coma aberrations.

本発明のホログラフイツク格子は新規のカム駆
動装置で極めて高速度で振動される。カム駆動は
二個の同一形状の共役なカムを用いて両方向に格
子を確実に回転させる。各カムは、格子の回転方
向の位置が変化すると格子出力が線型に変化する
ように、形が選定されている。カムはまた、別の
回折格子が同じカム駆動で別の波長範囲に対して
も用いられるような形になつている。
The holographic grating of the present invention is vibrated at extremely high speeds with a novel cam drive. The cam drive uses two identically shaped conjugate cams to ensure rotation of the grating in both directions. Each cam is shaped so that the grating output changes linearly as the rotational position of the grating changes. The cam is also shaped such that different gratings can be used for different wavelength ranges with the same cam drive.

凹面ホログラフイツク格子を用いることによ
り、入射スリツトを通して該回折格子方向に進行
する光線は、入射スリツトと回折格子を通つて画
かれる円周上に焦点を結ぶスペクトル成分に分散
される。これらのスペクトル成分が焦点を結ぶ円
周は、ローランド円として知られている。出射ス
リツトは、格子が振動して、波長範囲を走査する
とき、格子によつて分散されるそれぞれのスペク
トル成分が最もよくフオーカスし、収差が最も少
くなるための最適の位置に置かれる。
By using a concave holographic grating, light rays traveling through the entrance slit toward the grating are dispersed into spectral components that are focused on a circumference defined through the entrance slit and the grating. The circumference around which these spectral components are focused is known as the Rowland circle. The exit slit is optimally positioned so that each spectral component dispersed by the grating is best focused and has the least aberrations as the grating oscillates and scans the wavelength range.

ホログラフイツク格子は高速度で振動させられ
るので、高速走査技術を用いることによつて、本
発明は、多くの周期にわたる平均によりノイズを
除去することを可能にする。更に詳しく述べれ
ば、本発明の光学系では、格子は毎分約300サイ
クルで振動しこれは、1サイクル当り2回走査す
るときは、毎秒10回の走査である。各走査の終り
には、ドリフト補正(ゼロ点補正)のため暗周期
が設けられている。暗周期は180゜の間隔をおいて
配置された2個のダークセグメント(不透過部
分)を有するフイルターホイールによつて与えら
れる。フイルターホイールは格子のカム駆動に同
期され、その結果それぞれのダークセグメント
が、振動サイクルの一方の最端位置における格子
の向きに対応する。出力は暗周期の間、光検出器
で測定されて所要のドリフト補正を行なう。
Since the holographic grating is vibrated at high speed, by using fast scanning techniques, the present invention allows noise to be removed by averaging over many periods. More specifically, in the optical system of the present invention, the grating oscillates at approximately 300 cycles per minute, which is 10 scans per second when scanning twice per cycle. A dark period is provided at the end of each scan for drift correction (zero point correction). The dark period is provided by a filter wheel having two dark segments spaced 180 degrees apart. The filter wheel is synchronized to the cam drive of the grating so that each dark segment corresponds to the orientation of the grating at one extreme position of the vibration cycle. The output is measured with a photodetector during the dark period to provide the necessary drift correction.

本発明のサンプル分析用光学装置は入射スリツ
トの所で偏光子を用いて入射スリツトを通つて格
子を照射する光を偏らせる。偏光子は偏光軸が変
りうるよう90゜まで回転されることができる。
The sample analysis optical device of the present invention uses a polarizer at the entrance slit to polarize the light that passes through the entrance slit and illuminates the grating. The polarizer can be rotated up to 90° so that the polarization axis can be changed.

本発明は更に光学系の最適要件に適合するよう
に光源の形状と大きさを変更する新規な技術を供
する。広いスペクトル帯域の光を発生するために
白色光源を必要とするこの光学装置は、一般に典
型的な場合としてタングステンフイラメントを含
む白熱電球を用いる。市販の電球のフイラメント
の形状と寸法は限られていて、通常は光学系の最
適要件を満すには不適当である。したがつて本発
明においては、実際のフイラメントの上またはそ
の下に、フイラメントの像ができるような、光源
に対する位置に、反射器を設けることにより、フ
イラメントの長さは実質的に2倍になり、その結
果「長く延びた」フイラメント光源の像によつて
入射スリツト全体を完全に照射することができ
る。本発明の他の実施例では、円形の光源に近似
するため、正方形の形をした光源を作るようにフ
イラメントの像がフイラメント自体の隣にできる
位置に反射器が置かれる。
The present invention further provides a novel technique for modifying the shape and size of the light source to suit the optimum requirements of the optical system. This optical device, which requires a white light source to generate a broad spectral band of light, typically uses an incandescent light bulb, typically containing a tungsten filament. The filament shapes and dimensions of commercially available light bulbs are limited and usually inadequate to meet the optimal requirements of the optical system. Accordingly, in the present invention, the length of the filament is essentially doubled by providing a reflector above or below the actual filament at a position relative to the light source that creates an image of the filament. , so that the entire entrance slit can be completely illuminated by the image of the "elongated" filament light source. In another embodiment of the invention, to approximate a circular light source, the reflector is placed in such a position that the image of the filament is next to the filament itself so as to create a square shaped light source.

フイラメントを長くするため、上記のように光
学系を変更することにより、本発明におけるスリ
ツト光学の縦横比を最適にすることができる。入
射スリツトの高さの、幅に対する比の代表的な数
値は約5.5であるので、上記の光学的な変更によ
つてフイラメントの高さと幅に対する比を同じ
5.5の割合に近付け、それによつてスリツト全体
を光源の光で完全に照射することができる。ま
た、ほぼ円光源を生ずる他の光学的変更によつて
サンプルに白色光を投射するための理想的光源の
形が得られる。
By changing the optical system as described above to lengthen the filament, the aspect ratio of the slit optics in the present invention can be optimized. Since a typical value for the height to width ratio of the entrance slit is approximately 5.5, the optical changes described above keep the filament height to width ratio the same.
It is possible to approach a ratio of 5.5, so that the entire slit is completely illuminated by the light of the light source. Other optical modifications that produce a nearly circular light source also provide an ideal light source shape for projecting white light onto the sample.

光源の形を変更する両種の技術は、反射器が反
射器を通る垂直軸に対して傾斜することができ、
かつ、光源の光軸と共通な軸の周りを回転するこ
とができるように製作された単一の構造によつて
達成される。垂直軸の周りの反射器の傾斜と光軸
の周りの反射器の回転位置を正確に調節すると、
フイラメントの像はフイラメントの有効長を倍に
する位置か、または四角に拡げる位置かの何れか
に位置することができる。
Both techniques for changing the shape of the light source allow the reflector to be tilted relative to the vertical axis passing through the reflector;
and is achieved by a single structure fabricated such that it can rotate about an axis common to the optical axis of the light source. Accurately adjusting the tilt of the reflector around the vertical axis and the rotational position of the reflector around the optical axis,
The image of the filament can be positioned either to double the effective length of the filament or to square it.

本発明のサンプル分析用光学装置には、光が通
過する球面レンズの高さの像を格子上につくるた
めに入射スリツトのところに第1の円筒レンズを
用いている光学レンズ系の一実施例における独特
の配置がある。このように配置することによつて
確実に、光源の照射の格子面上における鉛直方向
の寸法を、格子の高さに対応させることができ
る。次に、出射スリツトの幅の虚像を格子上に結
ばせるため、第2の円筒レンズが出射スリツトの
所に設けられている。このようにすることによつ
て、格子上に結像する出射スリツトの幅と格子の
高さは格子の振動と関係なく一定であるので、格
子は、その振動に関係なく、形とサイズが一定の
単色光像をサンプルに投射する。
The optical device for sample analysis of the present invention includes an embodiment of an optical lens system that uses a first cylindrical lens at the entrance slit to create an image on the grating at the height of the spherical lens through which the light passes. There is a unique arrangement of. By arranging them in this way, it is possible to ensure that the vertical dimension of the irradiation from the light source on the grating plane corresponds to the height of the grating. Next, a second cylindrical lens is provided at the exit slit in order to focus a virtual image of the width of the exit slit onto the grid. By doing this, the width of the exit slit and the height of the grating that forms the image on the grating are constant regardless of the vibration of the grating, so the shape and size of the grating are constant regardless of the vibration. project a monochromatic light image onto the sample.

一定大さの単色光の像の投影は上記の実施例に
おいてレンズを追加し更に前記単色光の実像が投
影される点に可変口径の絞りを設けることにより
完成される。絞り口径のサイズを変えることでサ
ンプルに投影される照射の量とサイズが調節され
る。
Projection of an image of monochromatic light of a constant size is completed by adding a lens to the above embodiment and further providing a variable aperture diaphragm at the point where the real image of monochromatic light is projected. By changing the size of the aperture, the amount and size of the radiation projected onto the sample is controlled.

本発明の実施例には光検出器が設けられてい
て、サンプル内を透過した光か、またはサンプル
で反射した光かを、どちらか好ましい方の応用に
従つて検出する。又本発明はサンプル内を透過
し、またはサンプルで反射された光を有効に集め
る光フアイバーを具えることによつて改変された
出力検出装置を備えている。光フアイバーの出力
は、サンプルのスペクトル分析のため光検出器に
集光される。
Embodiments of the invention include a photodetector to detect light transmitted through the sample or reflected from the sample, depending on whichever application is preferred. The present invention also includes a power detection device modified by including an optical fiber that effectively collects light transmitted through or reflected from the sample. The output of the optical fiber is focused onto a photodetector for spectral analysis of the sample.

本発明のサンプル分析用光学装置には、サンプ
ルに単色光ではなくて白色光を投影するため既に
述べたほぼ円形の光源を用いる、他の光学的装置
がある。この例ではサンプルは光学系の入力側に
置かれ、サンプルからの反射光又はサンプル内透
過光は、例えば円形に配列した多数の光フアイバ
ーで集められる。この光フアイバーアレイの他端
は直線状に配列されてそれによつて光フアイバー
の末端が入射スリツトを形成する。光は光フアイ
バー中を内部反射で確実に伝達されてこのように
作られた入射スリツトを完全に満す。この光フア
イバーアレイの光学的パラメータは、各光フアイ
バーが、サンプルで反射され又はサンプルを透過
した光の光円錐(それは、格子の受光角と角度が
等しい)を受光するように選ばれる。したがつ
て、光フアイバーアレイによつて伝送され、光フ
アイバーの直線状に配列した端部から出射する光
は、その光フアイバーアレイによつて受光されて
伝送されたすべての光によつて、格子の鉛直方向
の長さが完全に満される角度で、振動している格
子上に投影する。この改良された設計により、サ
ンプル内を透過した光強度又はサンプルで反射さ
れた光強度を、回折格子型モノクロメータによつ
て、最適に利用することができる。この実施例の
格子は、前記のように極めて高速度で振動され、
出射スリツトの位置で光のスペクトル分散をす
る。出射スリツトを通るスペクトル光はサンプル
のスペクトル分析用光検出器で検出される。
The sample analysis optical device of the present invention includes other optical devices that use the previously described substantially circular light source to project white light rather than monochromatic light onto the sample. In this example, the sample is placed at the input side of the optical system, and the light reflected from or transmitted through the sample is collected by a number of optical fibers arranged, for example, in a circular manner. The other end of the optical fiber array is arranged in a straight line so that the ends of the optical fibers form an entrance slit. The light is transmitted through the optical fiber by internal reflection so that it completely fills the entrance slit thus created. The optical parameters of this optical fiber array are chosen such that each optical fiber receives a light cone of light reflected from or transmitted through the sample, which is at an angle equal to the acceptance angle of the grating. Therefore, light transmitted by an optical fiber array and emitted from the linearly arranged ends of the optical fibers will be transmitted by the grating by all the light received and transmitted by the optical fiber array. onto the vibrating grid at an angle that completely fills the vertical length of . This improved design allows the light intensity transmitted through or reflected from the sample to be optimally utilized by the grating monochromator. The grating of this example is vibrated at extremely high speeds as described above;
Spectral dispersion of light is performed at the position of the exit slit. The spectral light passing through the exit slit is detected by a photodetector for spectral analysis of the sample.

本発明の他の目的及び利点は添付図面に就いて
考案された具体例の次記詳細な記載を参照して理
解される。
Other objects and advantages of the invention will be understood by reference to the following detailed description of an embodiment, taken in conjunction with the accompanying drawings.

(実施例) 第1図の概略図において、光学系のある要素の
間隔は解り易くするため誇張して示されている。
第1図に示すようにタングステンフイラメント電
球の光源1は広帯域スペクトルの白色光を発光す
る。タングステンフイラメントからの光は、球面
レンズ2で集められ入射スリツト4に像を結ぶ。
円筒レンズ3によつて、参照番号5で示されてい
る凹面ホログラフイツク格子の適当な範囲の照射
が行われる。レンズ3はスリツト4から間隔をお
いて示されてはいるが、実際にはスリツト4に直
ぐ近接して置かれている。
(Example) In the schematic diagram of FIG. 1, the spacing between certain elements of the optical system is exaggerated for clarity.
As shown in FIG. 1, a tungsten filament light bulb light source 1 emits a broadband spectrum of white light. Light from the tungsten filament is collected by a spherical lens 2 and focused onto an entrance slit 4.
A cylindrical lens 3 provides illumination of a suitable area of the concave holographic grating, indicated by reference numeral 5. Although lens 3 is shown spaced apart from slit 4, it is actually located immediately adjacent to slit 4.

フイルタ3aと円筒レンズ3の間の光路には、
直線的に光を偏らせるため偏光子3bが設けられ
ている。偏光子は光軸の周りを90゜回転し、それ
によつて偏光軸を変えることができる。偏光子に
よつてサンプルを偏光で照射することが可能にな
り、偏光軸がサンプルの成分を最も正確に決定す
るために実験的選定されるような、成分分析の応
用に有用である。
In the optical path between the filter 3a and the cylindrical lens 3,
A polarizer 3b is provided to linearly polarize the light. The polarizer can be rotated 90° around the optical axis, thereby changing the polarization axis. The polarizer allows the sample to be illuminated with polarized light and is useful in compositional analysis applications where the polarization axis is chosen experimentally to most accurately determine the composition of the sample.

本発明の新規な光源の光学系は、第2図に更に
明瞭にされている。第2図で反射子6は、タング
ステンフイラメント光源1のフイラメント1aに
関して、フイラメント1aの像1bがフイラメン
ト1aの直ぐ上に形成され、それによつてタング
ステンフイラメントの長さを実質的に二倍にする
ような位置に置かれている。この光学的な変形
は、本願の光学系で重要である。それは、市販の
タングステンフイラメントランプは、モノクロメ
ータの光学系に普通に用いられるスリツト4のよ
うに入射スリツトの高さ対幅の比に相当する、高
さ対幅の比のフイラメントを有していないからで
ある。反射子6によつてフイラメント1aの長さ
を実質的に二倍にすることによつて、入射スリツ
ト4の縦横比にほぼ対応する直線型フイラメント
の光源が得られる。球面レンズ2は、入射スリツ
ト4にフイラメントと隣接するフイラメント像と
の像を作り、それによつて入射スリツト4の全面
積が完全に照射される。円筒レンズ3の彎曲軸は
水平で、このレンズは球面レンズ2の鉛直寸法を
格子5上にフオーカスさせ、格子面上における照
射の鉛直寸法を格子の高さに対応するようにさせ
る役をする。赤外線を除去する赤外線フイルタ3
aが迷光と迷光源から発する不必要な熱エネルギ
ーを減らすために設けられている。又サンプルの
赤外分析のため光学系の格子及び他の要素が選択
される場合には、赤外照射線を通過させるため
に、赤外線フイルタ3aに代るフイルタを用いる
ことができる。
The optical system of the novel light source of the present invention is further clarified in FIG. In FIG. 2, the reflector 6 is arranged so that, with respect to the filament 1a of the tungsten filament light source 1, the image 1b of the filament 1a is formed directly above the filament 1a, thereby essentially doubling the length of the tungsten filament. It is placed in a certain position. This optical deformation is important in the optical system of the present application. That is, commercially available tungsten filament lamps do not have a filament with a height-to-width ratio that corresponds to the height-to-width ratio of the input slit like the slit 4 commonly used in monochromator optics. It is from. By essentially doubling the length of the filament 1a by means of the reflector 6, a straight filament light source is obtained which approximately corresponds to the aspect ratio of the entrance slit 4. The spherical lens 2 images the filament and the adjacent filament image in the entrance slit 4, so that the entire area of the entrance slit 4 is completely illuminated. The axis of curvature of the cylindrical lens 3 is horizontal, and this lens serves to focus the vertical dimension of the spherical lens 2 onto the grating 5 so that the vertical dimension of the illumination on the grating surface corresponds to the height of the grating. Infrared filter 3 that removes infrared rays
a is provided to reduce unnecessary heat energy emitted from stray light and stray light sources. Also, if the grating and other elements of the optical system are selected for infrared analysis of the sample, a filter can be used instead of the infrared filter 3a to pass the infrared radiation.

第3図の断面図は、フイラメントの像を所望位
置に形成するよう反射鏡6の位置を調節するため
の反射鏡の取付機構である。第3図に図示されて
いるように、光源1は管41内に取付けられ、該
管41にはレンズ2が管41の中心線と光軸を一
直線にそろえて取付けられている。レンズ2は実
際にはスリーブ43内に取付けられ、該スリーブ
は管41中を軸方向に滑動することができて、レ
ンズ2の焦点を正しく調節するため、レンズの軸
方向位置を調節することができるようになつてい
る。反射鏡6は支持部材45に取付けられ、該支
持部材は中空で円い支持部材47にピボツトでさ
さえられている。又支持部材45はそのピボツト
軸がレンズ2の光軸と垂直で反射鏡の表面の中央
部と一直線になるように位置した軸49上で支持
部材47に対してピボツト支えされている。止め
ねじ51が支持部材47の背壁にねじ込まれてい
て、軸49から間隔をおいて置かれた支持部材4
5の裏面と係合している。圧縮ばね53が支持部
材45の裏面と支持部材47の背壁の間にあつ
て、止めねじ51の反対側で軸49から間隔をお
いた支持部材45の背壁と係合している。止めね
じ51が進むと、支持部材45をピボツト回転さ
せ、反射鏡6を軸49上でばね53の圧力に抗し
てピボツト回転させる。それで止めねじ51を調
節して支持部材47に対する反射鏡6の傾斜位置
が調節される。支持部材47は円筒表面55を形
成し、該円筒表面は管41の外側の円筒面と係合
し、支持部材47は管41に対して、レンズ2の
光軸の周りに回転が可能である。
The cross-sectional view in FIG. 3 shows a mechanism for attaching the reflecting mirror 6 to adjust the position of the reflecting mirror 6 so as to form an image of the filament at a desired position. As shown in FIG. 3, the light source 1 is installed in a tube 41, and the lens 2 is installed in the tube 41 so that the center line of the tube 41 and the optical axis are aligned. The lens 2 is actually mounted within a sleeve 43 which can be slid axially within the tube 41 to adjust the axial position of the lens in order to properly adjust the focus of the lens 2. I'm starting to be able to do it. The reflector 6 is mounted on a support member 45, which is pivoted on a hollow, circular support member 47. The support member 45 is pivotably supported on the support member 47 on a shaft 49 located such that the pivot axis is perpendicular to the optical axis of the lens 2 and in line with the center of the surface of the reflector. A set screw 51 is screwed into the rear wall of support member 47 and is spaced from support member 49.
It engages with the back side of 5. A compression spring 53 is located between the back surface of support member 45 and the back wall of support member 47 and engages the back wall of support member 45 on the opposite side of set screw 51 and spaced from shaft 49 . As the set screw 51 advances, the support member 45 pivots, causing the reflector 6 to pivot on the shaft 49 against the pressure of the spring 53. Then, by adjusting the set screw 51, the inclined position of the reflector 6 with respect to the support member 47 is adjusted. The support member 47 forms a cylindrical surface 55 that engages the outer cylindrical surface of the tube 41, and the support member 47 is rotatable relative to the tube 41 about the optical axis of the lens 2. .

フイラメントの像を、第2図に図示されている
ように、フイラメント自体と一直線上に位置させ
るために、第3図に図示されている機構を用いる
ためには、支持部材47に対する反射鏡6の傾斜
位置が止めねじで調節される。この調節によつ
て、フイラメント1aの像1bはフイラメント1
aから選ばれた距離に位置し、反射鏡が軸49を
軸としてピボツト回転すると、その距離も変る。
反射鏡6がピボツト回転して像1bがフイラメン
ト1aから間隔をとると、管41の周りに支持部
材47が回転することによつて像1bが像1aの
周りに回転する。それで支持部材47に対する反
射鏡6の傾斜位置と、管41と光源1に対する支
持部材47の回転位置を組合せて調節すると、フ
イラメントの像1bを第2図に示す位置に移動さ
せることができ、その位置では像1bは、フイラ
メント1aと一直線に並び、かつフイラメント1
aから連続して延びる程度に距たつている。フイ
ラメントの像が光源を正方形にする位置に置かれ
るという本発明の他の例についても第3図に図示
されている機構が用いられる。これについては後
に詳記する。
In order to use the mechanism shown in FIG. 3 to position the image of the filament in line with itself, as shown in FIG. The tilt position is adjusted with a set screw. By this adjustment, the image 1b of the filament 1a is
a, and as the reflector pivots about axis 49, that distance also changes.
As mirror 6 pivots to space image 1b from filament 1a, rotation of support member 47 about tube 41 rotates image 1b about image 1a. Therefore, by adjusting the tilted position of the reflector 6 with respect to the support member 47 and the rotational position of the support member 47 with respect to the tube 41 and the light source 1 in combination, the filament image 1b can be moved to the position shown in FIG. In position image 1b is aligned with filament 1a and
It is at such a distance that it extends continuously from a. The mechanism illustrated in FIG. 3 is also used for another example of the invention in which the image of the filament is positioned to square the light source. This will be detailed later.

格子5は先に述べた型式の凹面ホログラム格子
で、第11図を参照して後記するカム駆動機構で
第1図の矢印で大体示されたように両方向に高速
度で振動される。格子5の振動はフイルタホイー
ル7の、軸の回りの回転と同期され、その同期比
は第1図に格子5からフイルタホイール7へ概括
的に破線で示されている。
Grating 5 is a concave holographic grating of the type previously described and is vibrated at high speed in both directions as generally indicated by the arrows in FIG. 1 by a cam drive mechanism described below with reference to FIG. The oscillations of the grating 5 are synchronized with the rotation of the filter wheel 7 about its axis, the synchronization ratio being generally indicated in FIG. 1 by the dashed line from the grating 5 to the filter wheel 7.

ホログラフイツク格子5は入射スリツト4を通
して格子上に結像している白色光を、スペクトル
成分に分散して出射スリツト8の位置でフオーカ
スさせる。又サンプルの赤外分析が意図される時
には赤外線を分散させるホログラフイツク格子が
用いられる。
The holographic grating 5 disperses the white light, which is imaged onto the grating through the input slit 4, into spectral components and focuses it at the position of the output slit 8. Also, when infrared analysis of the sample is intended, a holographic grating that disperses the infrared light is used.

円筒レンズ9の弯曲軸は、その弯曲軸が水平で
ある円筒レンズ3とは異なり、鉛直であつて、円
筒レンズ9によつて出射スリツト8の幅の虚像が
格子5上にできる。格子5上に像を作つた出射ス
リツト8の虚像の幅と格子の高さは、格子の振動
に拘らず一定であるので、格子で分散された光に
よる、サンプルへの一定サイズの照射は、たとえ
格子が振動していても効果的に達成される。格子
5の振動は、波長を変えるけれど、サンプル上の
照射の大きさや形状を変えない。
The axis of curvature of the cylindrical lens 9 is vertical, unlike the cylindrical lens 3 whose axis of curvature is horizontal, and the cylindrical lens 9 forms a virtual image on the grating 5 with the width of the exit slit 8. Since the width of the virtual image of the exit slit 8 that created the image on the grating 5 and the height of the grating are constant regardless of the vibration of the grating, the irradiation of a constant size onto the sample by the light dispersed by the grating is as follows. This is effectively achieved even if the grid is vibrating. The vibrations of the grating 5 change the wavelength but do not change the size or shape of the radiation on the sample.

一定寸法の単色光を投影することは、この実施
例の独特な出力光学系を含み第1図に示されてい
る付加的なレンズ及び鏡で達成される。円筒レン
ズ9によつて格子5上に出射スリツト8の幅の像
ができるので、格子の高さと出射スリツトの幅の
虚像との合成形状をもつ像物体は格子5の位置に
形成される。フイルタホイール7を光束が通過し
た後、光束は鏡10で球面レンズ11に反射され
る。球面レンズ11はスリツトの幅と格子の高さ
との合成(前記像物体)の実像を、可変口径の絞
り12の位置に形成する。スリツトの幅は一定
で、格子の高さが一定であるので、絞りアパーチ
ヤー12に作られたこの実像は一定サイズのもの
である。もし、仮に円筒レンズ9がなければ、絞
り孔12に作られる像の幅は、格子がその回転角
度を変えると、変化することになろう。絞りアパ
ーチヤー12の開き(F―数)のサイズを変える
ことによつて、サンプル15を照射するために絞
り孔12の位置で上述したように作られた実像か
らの照射の量及び大さが制御される。絞り12の
位置で作られた像よりの照射は、次に、鏡13で
球面レンズ14に反射され、該レンズは絞り12
の位置で作られた像を写して、支持板16に置か
れているサンプル15にその像を結ばせる。絞り
12における像は一定サイズのものであるので、
サンプル上の像も一定のサイズである。サンプル
15から拡散的に反射された光は、次に、スペク
トル分析用の光検出器17によつて検出される。
Projecting monochromatic light of constant size is accomplished with the additional lenses and mirrors shown in FIG. 1, including the unique output optics of this embodiment. Since an image having the width of the output slit 8 is formed on the grating 5 by the cylindrical lens 9, an image object having a composite shape of the height of the grating and a virtual image having the width of the output slit is formed at the position of the grating 5. After the light beam passes through the filter wheel 7, the light beam is reflected by a mirror 10 onto a spherical lens 11. The spherical lens 11 forms a real image of the composite of the width of the slit and the height of the grating (the image object) at the position of the aperture 12 having a variable aperture. Since the width of the slit is constant and the height of the grating is constant, this real image created in the aperture 12 is of constant size. If there were no cylindrical lens 9, the width of the image formed in the aperture 12 would change as the grating changes its angle of rotation. By varying the size of the aperture (F-number) of the aperture 12, the amount and magnitude of the illumination from the real image created as described above at the location of the aperture 12 for illuminating the sample 15 is controlled. be done. Irradiation from the image formed at the aperture 12 is then reflected by a mirror 13 onto a spherical lens 14, which is located at the aperture 12.
The image created at the position is copied and focused on the sample 15 placed on the support plate 16. Since the image at the aperture 12 is of a constant size,
The image on the sample is also of constant size. The light diffusely reflected from the sample 15 is then detected by a photodetector 17 for spectral analysis.

第4図は第1図の実施例の変形を説明する図
で、サンプル15は、単色光がサンプルを透過す
るように置かれている。絞り12からの照射光
は、鏡13で反射され、球面レンズ14によつ
て、サンプル15を経て拡散白色反射体18上に
像を結ぶ。サンプル15を透過した放射は白色反
射体18で反射され、続いてサンプルをスペクト
ル分析するため、光検出器17で検出される。あ
るいはまた、サンプル15は、第1図の可変口径
絞り12に近付けて置かれてもよく、その結果、
絞りアパーチヤー12を通過し、サンプル15を
透過した照射光が、続いて光検出器17によつて
検出される。
FIG. 4 is a diagram illustrating a modification of the embodiment shown in FIG. 1, in which a sample 15 is placed so that monochromatic light passes through the sample. The irradiated light from the aperture 12 is reflected by the mirror 13, passes through the sample 15, and focuses an image on the diffuse white reflector 18 by the spherical lens 14. The radiation transmitted through the sample 15 is reflected by a white reflector 18 and subsequently detected by a photodetector 17 for spectrally analyzing the sample. Alternatively, the sample 15 may be placed close to the variable aperture diaphragm 12 of FIG.
The illumination light that has passed through the aperture 12 and through the sample 15 is subsequently detected by a photodetector 17 .

第1図のフイルタホイール7は、格子5の振動
と同期するようモータで駆動される。第7図を参
照すると、フイルタホイール7の平面図が図示さ
れている。フイルタホイール7は180゜間隔をおい
て配置された二個のダーク(不透過)セグメント
7aとこの二個のダークセグメント間に亘る二個
の円形切片7bを具えている。各円形セグメント
は狭い帯域幅のフイルタで、フイルタホイール7
の頂部に近い各セグメントはフイルタホイールの
底部に近い部分より長い波長を通すように直線的
に変る波長透過帯域を有する。フイルタホイール
7はフイルタの片側が、不透過又はダークセグメ
ント7aの中央を通る直線について、他の側の鏡
像であるように造られる。
The filter wheel 7 in FIG. 1 is driven by a motor in synchronization with the vibrations of the grid 5. The filter wheel 7 in FIG. Referring to FIG. 7, a top view of the filter wheel 7 is illustrated. The filter wheel 7 comprises two dark (opaque) segments 7a spaced apart by 180 DEG and two circular sections 7b extending between the two dark segments. Each circular segment is a narrow bandwidth filter, filter wheel 7
Each segment near the top of the filter wheel has a wavelength transmission band that varies linearly to pass longer wavelengths than the segment near the bottom of the filter wheel. The filter wheel 7 is constructed such that one side of the filter is a mirror image of the other side about a straight line passing through the center of the opaque or dark segment 7a.

格子5が一回完全に振動する毎にフイルタホイ
ール7は、その軸の周りを360゜回転し、且つ格子
の振動サイクルにおける格子の対応する各最端の
位置で、出射スリツト8を通る光を遮断又は閉塞
するように各ダークセグメント7aの位置を定め
て配置されている。光学系の出力は之等のダーク
期間に光検出器17で測定され、必要なドリフト
補正がされる。フイルタホイール7は迷光を制限
ばかりでなく、一次光の半波長の二次光を除去す
る。例えばもし光が出射スリツトを800ナノメー
タの波長で透過されていると、400ナノメータで
透過される光もある筈である。フイルタホイール
7は又この光を除去する役をもする。
For each complete oscillation of the grating 5, the filter wheel 7 rotates 360° about its axis and directs the light passing through the exit slit 8 at each corresponding extreme position of the grating during the oscillation cycle of the grating. Each dark segment 7a is positioned and arranged so as to be blocked or occluded. The output of the optical system is measured by a photodetector 17 during these dark periods, and any necessary drift corrections are made. The filter wheel 7 not only limits stray light, but also removes secondary light at half the wavelength of the primary light. For example, if light is transmitted through the exit slit at a wavelength of 800 nanometers, some light must also be transmitted at a wavelength of 400 nanometers. Filter wheel 7 also serves to filter out this light.

第5図と第6図は夫々第1図と第4図のサンプ
ルと関連する光学系を更に変形したものである。
第5図では、例えば、第1図でのようにサンプル
15によつて反射された光を直接受けるように光
検出器17を位置決めする代りに、光フアイバー
20が配設され、この反射光を集めて内部反射で
反射光を光検出器17に伝達する。光フアイバー
は、各繊維束の端面20aが、サンプル15によ
つて反射された照射光を集めるように円錐曲線上
にサンプル向かつて円形分布を形成する位置に位
置決めされるように、配置される。前記端面20
aは円錐の支持部材55に取付けられ、該支持部
材はそれによつて反射された迷光の量を減らすた
め透明に作られている。第1図のように、鏡13
は絞り12の位置で作られた像の照射を反射し、
この像はレンズ14によつてサンプル15上にフ
オーカスされる。サンプルで反射された照射光
は、光フアイバーによつてその端面20aにおい
て集められて光フアイバーの反対端面20bに伝
送される。端面20bは円形を作るように平面に
配置される。端面20bから出射した光は、次に
レンズ19によつてスペクトル分析のため光検出
器17上に集光される。光検出器は光フアイバー
の端面20bで形成された円より実質的に小さ
い。レンズ19は端面20bから出射した光全部
を、光検出器のサイズに、そのサイズが対応する
光検出器上にスポツト状に集光される。
5 and 6 show further modifications of the optical systems associated with the samples of FIGS. 1 and 4, respectively.
In FIG. 5, for example, instead of positioning the photodetector 17 to directly receive the light reflected by the sample 15 as in FIG. 1, an optical fiber 20 is provided to receive this reflected light. The reflected light is collected and transmitted to the photodetector 17 by internal reflection. The optical fibers are arranged such that the end face 20a of each fiber bundle is positioned on a conic section so as to collect the illumination light reflected by the sample 15 so as to form a circular distribution toward the sample. Said end face 20
a is attached to a conical support member 55, which is made transparent to reduce the amount of stray light reflected thereby. As shown in Figure 1, mirror 13
reflects the irradiation of the image created at the aperture 12 position,
This image is focused onto the sample 15 by the lens 14. The illumination light reflected by the sample is collected by the optical fiber at its end face 20a and transmitted to the opposite end face 20b of the optical fiber. The end surface 20b is arranged on a plane so as to form a circular shape. The light emitted from end face 20b is then focused by lens 19 onto photodetector 17 for spectrum analysis. The photodetector is substantially smaller than the circle formed by the end face 20b of the optical fiber. The lens 19 focuses all the light emitted from the end surface 20b into a spot on a photodetector whose size corresponds to the size of the photodetector.

第6図には、第4図において既に図示されてい
るサンプル15内を通過した放射の光検出に関し
同じような変形が示されている。単色光は、レン
ズ14によりサンプル15を通して白色拡散反射
体18上に集光される。反射体18で反射された
光は光フアイバー20の端面20aに入る。この
光フアイバーは支持部材55に円錐状に円周上に
分布して配置されており、前記反射された光は光
フアイバー20で反対の端面に送られ、第5図に
ついて説明したように光検出器に投影して検出さ
れる。又サンプル15は第1図の可変口径の絞り
12に近接して置かれてもよく、その場合には、
絞り孔12を通つてサンプル15内を透過した照
射光は、光フアイバー20で集められてこれを通
つて伝送された後に、引続いて光検出器17で検
出される。
FIG. 6 shows a similar modification for the optical detection of radiation passing through the sample 15 already illustrated in FIG. Monochromatic light is focused by lens 14 through sample 15 onto white diffuse reflector 18 . The light reflected by the reflector 18 enters the end face 20a of the optical fiber 20. The optical fibers are disposed on the support member 55 in a conical manner distributed over the circumference, and the reflected light is sent to the opposite end face by the optical fiber 20, and is detected as described in connection with FIG. It is detected by projecting it onto a device. The sample 15 may also be placed in close proximity to the variable aperture aperture 12 of FIG.
The illumination light transmitted through the aperture 12 into the sample 15 is collected by and transmitted through an optical fiber 20 and subsequently detected by a photodetector 17 .

本発明の第2具体例の斜視図が第8図に示され
ている。タングステンフイラメント光源21から
の広スペクトル帯域の白色照射光が図示の光学系
で投射されてサンプル28に照射のスポツトを形
成する。第9図には新規な光源系がさらに明らか
に示され、同図ではフイラメント21aを具えて
いるタングステン光源21が示されている。この
実施例では、サンプルが第1図に用いられている
単色光照射ではなく白色光で照射されるので、サ
ンプルに投影される照射の理想の形はスポツト光
又は円形光でなければならぬ。タングステンフイ
ラメントは通常円形に形成されないので、この目
標達成のため本実施例では、タングステンフイラ
メントの光源を光学的に修正することが意図され
ている。この目的のため、反射鏡22は、第8図
に示されているように、フイラメント21aの像
21bをフイラメント自体の側に形成するように
位置決めされている。このように形成された光源
は、正方形として形成され、正方形光源は直線状
フイラメントよりも更に円形の理想形に近似して
いる。正方形フイラメント光源はレンズ24によ
つてレンズ27上に像を結ぶ。後者のレンズ27
は更に、絞り25の位置における照射光の像をサ
ンプル上に投影する。可変口径絞り25はレンズ
24に近接して置かれ、サンプルに投影されてい
る照射のサイズ、したがつて照射量を制御する。
鏡26は光源からの光照射をサンプルに向け上向
に折曲げるのに必要である。赤外線フイルタ26
aが迷光と迷光の光源によつて生ずる不必要な熱
エネルギーを除去するために設けられている。更
に格子及び光学系の他の成分がサンプルの赤外分
析のために選ばれる場合には、赤外線フイルタ2
6aの代りに、赤外線を通過させるためのフイル
タを用いることができる。
A perspective view of a second embodiment of the invention is shown in FIG. Broad spectral band white illumination from a tungsten filament light source 21 is projected by the optical system shown to form a spot of illumination on a sample 28. The novel light source system is shown more clearly in FIG. 9, in which a tungsten light source 21 with a filament 21a is shown. In this embodiment, since the sample is illuminated with white light rather than the monochromatic illumination used in FIG. 1, the ideal form of illumination projected onto the sample should be a spot or circular light. To achieve this goal, the present embodiment contemplates optically modifying the light source of the tungsten filament, since the tungsten filament is not normally formed in a circular shape. For this purpose, the reflector 22 is positioned so as to form an image 21b of the filament 21a on the side of the filament itself, as shown in FIG. The light source formed in this manner is formed as a square, and a square light source more closely approximates a circular ideal shape than a linear filament. A square filament light source is imaged by lens 24 onto lens 27 . The latter lens 27
further projects an image of the illumination light at the position of the aperture 25 onto the sample. A variable aperture diaphragm 25 is placed in close proximity to lens 24 to control the size, and therefore the dose, of the radiation being projected onto the sample.
Mirror 26 is necessary to bend the light radiation from the light source upwardly towards the sample. Infrared filter 26
a is provided to remove unnecessary thermal energy produced by stray light and stray light sources. Additionally, if the grating and other components of the optical system are selected for infrared analysis of the sample, an infrared filter 2
A filter for passing infrared rays can be used instead of 6a.

上記のように二個のレンズ24と27を用いる
利点は、このように配置するとサンプル上にサイ
ズが可変のほぼ丸い光スポツトが生ずるというこ
とである。反射鏡22の操作で、フイラメント自
体の隣にフイラメントの像を作ることにより、光
源の形がほぼ正方形に作られるため、レンズ24
を通る照射光は実質的にレンズ24全体を照射す
る。その結果、レンズ27がレンズ24に近接す
る絞りの像をサンプル28にフオーカスすると、
サンプル上に殆んど均一な光の円が発生する。フ
イラメント21aと像21bが正方形を作るよう
に像21bの位置決めをするためには、第3図に
図示された同じ機構が用いられる。したがつて、
単一の製造部品が、サンプルが広帯域光で照射さ
れる実施例と、光が格子で分散された後サンプル
が狭い帯域光で照射される実施例の両方に役立
つ。
The advantage of using two lenses 24 and 27 as described above is that this arrangement creates a substantially round light spot of variable size on the sample. By manipulating the reflector 22 to create an image of the filament next to the filament itself, the shape of the light source is made approximately square, so that the lens 24
The illumination light passing through illuminates substantially the entire lens 24. As a result, when the lens 27 focuses the image of the aperture close to the lens 24 on the sample 28,
An almost uniform circle of light is generated on the sample. The same mechanism illustrated in FIG. 3 is used to position image 21b so that filament 21a and image 21b form a square. Therefore,
A single manufacturing component serves both embodiments in which the sample is illuminated with broadband light and embodiments in which the light is dispersed in a grating and then the sample is illuminated with narrowband light.

全体の入力光学系は第11図に略図で示され、
この図は第8図の一部の縦断面図である。上記光
学系によつて支持板34の上に置かれてあるサン
プルに投影された円光又はスポツト光は、サンプ
ル28によつて拡散的に反射される。反射された
照射は光フアイバーアレイ(光フアイバーの配列
体)29の端面で集められる。この光フアイバー
アレイ29は一方の端部が円錐曲線上に配置され
た多数の個々の光フアイバーから成り、サンプル
からの反射した照射を受けるようになつている。
光フアイバーの端は円錐部材55に取付けられ、
該円錐部材は支持部材で反射された迷光量を減ら
すよう透明に作られている。他方の端部では、光
フアイバーアレイ29の光フアイバーの端が直線
的に配列されて入射スリツト30が形成されてい
る。サンプル28で反射した光は、内部反射によ
つて光フアイバー内を有効に伝送されて、入射ス
リツト30を完全に満す。光フアイバーアレイ2
9の光学パラメータは、各光フアイバーがサンプ
ル28によつて反射された光の光円錐(この光円
錐は格子31の受光円錐と角度が等しい)を受光
するように選定される。
The entire input optical system is shown schematically in FIG.
This figure is a longitudinal sectional view of a part of FIG. 8. The circular or spot light projected onto the sample placed on the support plate 34 by the optical system is diffusely reflected by the sample 28. The reflected radiation is collected at the end face of an optical fiber array 29. The optical fiber array 29 consists of a number of individual optical fibers arranged at one end in a conic section to receive reflected radiation from the sample.
The end of the optical fiber is attached to a conical member 55;
The conical member is made transparent to reduce the amount of stray light reflected from the support member. At the other end, the ends of the optical fibers of the optical fiber array 29 are arranged linearly to form an entrance slit 30. The light reflected from the sample 28 is effectively transmitted through the optical fiber by internal reflection, completely filling the entrance slit 30. Optical fiber array 2
The optical parameters of 9 are selected such that each optical fiber receives a light cone of light reflected by the sample 28 (which light cone is at an equal angle to the receiving cone of the grating 31).

再び第8図について、光フアイバーアレイ29
によつて伝送され、光フアイバーアレイによつて
形成される直線状端面30から出射された光は、
光フアイバーアレイ29によつて受光され伝送さ
れたすべての光が格子31を完全に満す角度で、
格子31上に投射される。光フアイバーアレイ2
9を用いる、この改良された設計によつて、サン
プル28によつて反射され、光フアイバーアレイ
29を通して伝送された光の強度を格子31によ
つて最適に使用することが可能になる。
Referring again to FIG. 8, the optical fiber array 29
The light transmitted by the optical fiber array and emitted from the linear end face 30 formed by the optical fiber array is
at an angle such that all the light received and transmitted by the optical fiber array 29 completely fills the grating 31;
It is projected onto the grid 31. Optical fiber array 2
9, this improved design allows the intensity of the light reflected by the sample 28 and transmitted through the optical fiber array 29 to be optimally used by the grating 31.

この実施例の格子31は第1図の実施例につい
て既に述べたように高速度で振動し、出射スリツ
ト32の位置において、分散されたスペクトル光
の高速走査を提供する。出射スリツト32を通る
単色光は、サンプルのスペクトル分析用の光検出
子33で検出される。又サンプルの赤外分析が意
図されている場合には、赤外線を分散するホログ
ラフイツク格子が用いられる。
The grating 31 in this embodiment oscillates at high speed as previously described for the embodiment of FIG. 1, providing a rapid scanning of the dispersed spectral light at the location of the exit slit 32. The monochromatic light passing through the exit slit 32 is detected by a photodetector 33 for spectral analysis of the sample. Also, if infrared analysis of the sample is intended, a holographic grating that disperses infrared radiation is used.

第7図のフイルタホイール7と同一構造のフイ
ルタホイール7が第8図の出射スリツト32の直
ぐ後に置かれている。フイルタホイール7は、第
1図のフイルタホイール1と同一目的のために格
子31の振動と同期される。
A filter wheel 7 of the same construction as the filter wheel 7 of FIG. 7 is placed immediately after the exit slit 32 of FIG. The filter wheel 7 is synchronized with the vibration of the grating 31 for the same purpose as the filter wheel 1 of FIG.

第8図の実施例は、第10図に示されているよ
うに、サンプルを透過した光を検出するように変
形することができる。サンプル28は、サンプル
28を通して透過された光源のスポツトが、拡散
白色反射体34aによつて反射されるように配置
されている。反射光は、第8図について述べられ
ているように、光フアイバーアレイ29の端面に
よつて集められて、内部反射により、アレイ29
の個々の光フアイバーを通して入射スリツト30
を形成する反対側の端に伝送される。動作は上記
第8図について記載されたのと全く同じである。
The embodiment of FIG. 8 can be modified to detect light transmitted through the sample, as shown in FIG. Sample 28 is positioned such that a spot of the light source transmitted through sample 28 is reflected by diffuse white reflector 34a. The reflected light is collected by the end face of the optical fiber array 29 and, by internal reflection, returns to the array 29 as described with respect to FIG.
entrance slit 30 through the individual optical fibers of
is transmitted to the opposite end forming a The operation is exactly the same as described for FIG. 8 above.

第12図は、第1図の格子5又は第7図の格子
31を非常に高速で振動させるためのカム駆動装
置を略図で示している。カム駆動装置は二個の同
一のハート形共役のカム35,36を用い、矢印
で示すように格子を両方向に駆動させる。カムの
形は格子の出力を格子の角度位置に対して直線的
に変え、更に、他の応用のために、異る格子を同
じカム駆動で用いることができるように選ばれて
いる。各々の共役カムは、第12図に35a,3
6aとして画かれ、各カムと連動するカムフオロ
ワー(タペツト)を具えている。共役カム35,
36は高速モータ37によつて歯車38,39を
介して駆動される。カムフオロワー35a,36
aは、モータ37により歯車38,39を介して
駆動されるピン40により、カムがカム軸の周り
を廻転する時、夫々のハート形カム35,36の
側面に追随する。カムフオロワーが共役カムに追
随する時、カムフオロワーは格子を極めて高速に
振動させる。
FIG. 12 schematically shows a cam drive for vibrating the grid 5 of FIG. 1 or the grid 31 of FIG. 7 at very high speeds. The cam drive uses two identical heart-shaped conjugate cams 35, 36 to drive the grid in both directions as shown by the arrows. The shape of the cam is chosen to vary the output of the grating linearly with respect to the angular position of the grating, and also to allow different gratings to be used with the same cam drive for other applications. Each conjugate cam is shown in FIG.
6a, and includes a cam follower (tapepet) associated with each cam. Conjugate cam 35,
36 is driven by a high speed motor 37 via gears 38 and 39. Cam followers 35a, 36
a follows the side of each heart-shaped cam 35, 36 as the cam rotates around the camshaft by means of a pin 40 driven by a motor 37 through gears 38, 39. When the cam follower follows the conjugate cam, the cam follower causes the grating to vibrate very rapidly.

第13図と14図は、振動サイクル中の格子の
両極端位置と共役カム並びにそのカムフオロワー
の夫々の位置を第12図の上方から見た平面図の
略図である。第13図では例えば格子は、カムフ
オロワー36aがカム36の最大偏心距離にあ
り、一方カムフオロワー35aはカム35の最小
の偏心距離にある状態に対応した、振動サイクル
中の1つの最端位置において示されている。第1
4図では格子の反対の最端状態が示され、それに
おいてはカムと之等のカムフオロワーに関し、反
対の関係が存在する。第14図では、カムフオロ
ワー35aはカム35の最大偏心距離にあり、一
方カムフオロワー36aはカム36の最小偏心距
離にある。
13 and 14 are schematic representations of the extreme positions of the grating and the respective positions of the conjugate cam and its cam followers in a plan view from above of FIG. 12 during the vibration cycle. In FIG. 13, for example, the grid is shown in one extreme position during the vibration cycle, corresponding to the condition in which cam follower 36a is at maximum eccentricity of cam 36, while cam follower 35a is at minimum eccentricity of cam 35. ing. 1st
In Figure 4, the opposite extreme state of the grid is shown, in which an opposite relationship exists for the cams and their cam followers. In FIG. 14, cam follower 35a is at the maximum eccentricity of cam 35, while cam follower 36a is at the minimum eccentricity of cam 36.

上記のカム装置で振動中の格子の加速と減速は
カム面の中の一つがカムフオロワーを押圧する作
用によつて行われ、カムフオロワーのどちらも対
応するカム面との係合状態を保持するために、ば
ねを必要としない。その結果カム駆動はホログラ
フイツク格子を、例えば300サイクル/分という
極めて高速で振動させることができ、それによつ
て格子は出射スリツトを毎秒10回、高速で走査す
ることができる。この高速走査によつて本発明で
は、多数の振動サイクルにわたつて平均すること
によりノイズを除去することができる。
In the above cam device, the acceleration and deceleration of the vibrating grid is performed by one of the cam surfaces pressing the cam follower, and both cam followers are kept in engagement with the corresponding cam surface. , does not require a spring. As a result, the cam drive can vibrate the holographic grating at very high speeds, for example 300 cycles per minute, so that the grating can rapidly scan the exit slit 10 times per second. This fast scan allows the present invention to eliminate noise by averaging over a large number of vibration cycles.

第1図と第8図の実施例において、フイルタホ
イール7の回転は勿論、上記したように第12図
のカムと同期し、フイルタホイール7の毎回の回
転が格子の完全な一回の振動サイクルに相当す
る。更に前記のように、フイルタホイール7は、
格子とカム駆動が第13図に示す位置にある時フ
イルタホイール7の一方のダークセグメント7a
が光路を遮閉するように、最初に配置されてい
る。フイルタホイール7の反対側のダークセグメ
ント7aも、格子とカム駆動が第14図に図示さ
れている位置にある時同じように光路を遮閉す
る。フイルタホイールの回転が格子振動と同期さ
れる正確な方法は図面に示されていないが、例え
ば第12図のフイルタホイール駆動用のモータ3
7、歯車38,39と組合される付加の歯車によ
つて、当業技術者には容易に実施できる。
In the embodiments of FIGS. 1 and 8, the rotation of the filter wheel 7 is of course synchronized with the cam of FIG. corresponds to Furthermore, as mentioned above, the filter wheel 7 is
Dark segment 7a on one side of filter wheel 7 when the grating and cam drive are in the position shown in FIG.
is placed first so as to block the optical path. The dark segment 7a on the opposite side of the filter wheel 7 similarly blocks the optical path when the grating and cam drive are in the position shown in FIG. The exact manner in which the rotation of the filter wheel is synchronized with the grid vibration is not shown in the drawings, but for example the motor 3 for driving the filter wheel in FIG.
7. Additional gears combined with gears 38, 39 can be easily implemented by a person skilled in the art.

本発明は本発明の真髄又は本質的特性を逸脱し
ないで他の特定の型式で具現化することができ
る。従つてこの具体例は例示的であり、非限定的
と考察される。本発明の範囲の上記の記載ではな
く添付の特許請求の範囲に示される。特許請求の
範囲と同等な解釈及び範囲内の凡ゆる変更はその
内に包含されるものである。
The present invention may be embodied in other specific forms without departing from its spirit or essential characteristics. Accordingly, this specific example is to be considered illustrative and non-limiting. The scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All modifications within the scope and equivalent interpretation of the claims are intended to be included therein.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は振動するホログラム格子を用いる本発
明の具体例の略図的斜視図でサンプルで反射され
た単色光放射がスペクトル分析用に検出される。
第2図は第1図の光源装置を示す略図、第3図は
光学系の光源装置の一部取付を示す断面図、第4
図は第1図の変形例を略図としたものでサンプル
を透過した単色光放射がスペクトル分析用に検出
される。第5図は第1図の別の変形例を略とした
もので、サンプルで反射した単色光放射がフイル
タ装置で集められて光検出素子に送られる。第6
図はサンプルを透過した放射を集めるよう第5図
と同じように図示した略図である。第7図は本光
学系に用いられる分割フイルタを示す。第8図は
振動のホログラフイツク格子を用いる本発明の第
二具体例の斜視図で、サンプルから反射された白
色照射がフイルタで集光されスペクトル分析のた
め分散及び検出用の格子に伝送される。第9図は
第8図の光源入力装置を示す略図、第10図は第
8図の変形例の略図で、光フアイバーがサンプル
を透過した照射を集光する。第11図は第8図の
一部の平面略図で光源装置と第二具体例に用いら
れる光フアイバーを示す。第12図は本発明に用
いるカム駆動構造を示す斜視図で、ホログラフイ
ツク格子を高速度で振動させる、第13図と第1
4図は格子の振動中カムとカムフオロワーの二つ
の別位置を第12図の上方から見た平面図の略図
である。 1……タングステンフイラメント光源、2……
球面レンズ、3……円筒レンズ、4……入射スリ
ツト、5……格子、6……反射子、7……フイル
タホイール、8……出射スリツト、9……円筒レ
ンズ。
FIG. 1 is a schematic perspective view of an embodiment of the invention using a vibrating hologram grating in which monochromatic radiation reflected from a sample is detected for spectral analysis.
Fig. 2 is a schematic diagram showing the light source device in Fig. 1, Fig. 3 is a sectional view showing a partial installation of the light source device of the optical system, and Fig. 4
The figure is a schematic representation of a variant of FIG. 1 in which the monochromatic radiation transmitted through the sample is detected for spectral analysis. FIG. 5 is an abbreviated version of another variant of FIG. 1, in which the monochromatic light radiation reflected by the sample is collected by a filter device and sent to a photodetector element. 6th
The figure is a schematic diagram similar to FIG. 5 for collecting the radiation transmitted through the sample. FIG. 7 shows a dividing filter used in this optical system. FIG. 8 is a perspective view of a second embodiment of the invention using a vibrating holographic grating in which the white radiation reflected from the sample is focused by a filter and transmitted to a dispersion and detection grating for spectral analysis. . 9 is a schematic illustration of the light source input device of FIG. 8, and FIG. 10 is a schematic illustration of a modification of FIG. 8, in which an optical fiber focuses the radiation transmitted through the sample. FIG. 11 is a schematic plan view of a portion of FIG. 8, showing the light source device and the optical fiber used in the second embodiment. FIG. 12 is a perspective view showing the cam drive structure used in the present invention, and FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram of a plan view from above of FIG. 12 showing two different positions of the cam and cam follower during oscillation of the grid. 1...Tungsten filament light source, 2...
Spherical lens, 3... Cylindrical lens, 4... Entrance slit, 5... Grating, 6... Reflector, 7... Filter wheel, 8... Output slit, 9... Cylindrical lens.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 入射する光放射を狭い帯域巾の成分に分散さ
せるために作動させうる凹面回折格子と、前記回
折格子を往復運動させる手段と、往復運動してい
る格子に光放射を投射させる光学的手段と、前記
光学的手段と格子間に置かれた入射スリツトと、
前記格子で分散された光放射を受けるために置か
れた出射スリツトと、前記出射スリツトを通過し
た光放射を検出する光感知手段と、前記分散した
光放射の通路に位置しその異る角度位置で異る波
長を透過するフイルタをもつ少くとも1つの、光
を透過するセグメントを有するホイールと、前記
格子の往復運動と同期して前記ホイールを回転さ
せる手段を有し、前記ホイールは光を透過しない
ダークセグメントを備え、前記格子が一方の最端
位置にあるときに出射スリツトを通つた光放射を
遮断するように、前記ホイールを回転させる手段
がダークセグメントを位置させるために、配置さ
れているサンプル分析用光学装置。 2 前記格子を往復運動させる前記手段は、往復
運動の両方の方向においてカム表面による駆動を
前記格子に与える共役カムを備えている特許請求
の範囲第1項に記載のサンプル分析用光学装置。 3 前記光学的手段は、フイラメントランプと、
前記フイラメントランプのフイラメントと並んで
それに近接して前記フイラメントランプの実像を
生成する反射子手段と、前記入射スリツトの全面
積に光を照射するために前記フイラメントとそれ
に近接して並んでいる該フイラメントの像との合
成像物体の像を前記入射スリツト上にフオーカス
する手段を含んでいる特許請求の範囲第1項に記
載のサンプル分析用光学装置。 4 前記出射スリツトの幅の虚像を前記格子上に
生成するように該出射スリツトを通過する光路上
に位置ぎめされた円筒レンズと、前記格子の位置
における前記出射スリツトの幅の虚像と該格子の
高さとの合成の実像を前記円筒レンズを通過する
放射からフオーカスし、かつ該放射をサンプル上
に投射する光学手段と、前記サンプルからの放射
を検出する光感知手段をさらに有する、特許請求
の範囲第1項に記載のサンプル分析用光学装置。
Claims: 1. A concave diffraction grating operable to disperse incident optical radiation into narrow bandwidth components; means for reciprocating said grating; and means for reciprocating said grating; an optical means for projecting; an entrance slit disposed between the optical means and the grating;
an exit slit placed to receive the light radiation dispersed in the grating; a light sensing means for detecting the light radiation passing through the exit slit; and a light sensing means located in the path of the dispersed light radiation at different angular positions thereof. a wheel having at least one light-transmissive segment with a filter that transmits different wavelengths; and means for rotating the wheel in synchronization with the reciprocating movement of the grating, the wheel being light-transmissive; means for rotating the wheel are arranged to position the dark segment so as to block light radiation passing through the exit slit when the grating is in one extreme position; Optical device for sample analysis. 2. An optical apparatus for analyzing a sample according to claim 1, wherein the means for reciprocating the grating comprises a conjugate cam providing drive to the grating by a cam surface in both directions of reciprocation. 3. The optical means includes a filament lamp;
reflector means for producing a real image of said filament lamp alongside and adjacent to the filament of said filament lamp; said filament and said filament adjacent to said filament for illuminating the entire area of said entrance slit; 2. An optical device for analyzing a sample as claimed in claim 1, further comprising means for focusing an image of the object onto said entrance slit. 4. A cylindrical lens positioned on an optical path passing through the exit slit so as to generate a virtual image of the width of the exit slit on the grating, and a virtual image of the width of the exit slit at the position of the grating and a virtual image of the width of the exit slit on the grating. Claims further comprising optical means for focusing a real image of the resultant height from radiation passing through said cylindrical lens and projecting said radiation onto a sample, and light sensing means for detecting radiation from said sample. The optical device for sample analysis according to item 1.
JP9918778A 1977-08-16 1978-08-16 Optical device for analyzing sample Granted JPS5443082A (en)

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